O documento discute propriedades emergentes em sistemas biológicos. Apresenta três níveis de organização com propriedades emergentes distintas: 1) populações têm propriedades como tamanho, densidade e estrutura etária; 2) comunidades apresentam padrões de interação entre espécies; 3) ecossistemas demonstram fluxos de energia complexos decorrentes das interações entre organismos e meio ambiente.

1. Prof. Dr. Harold Gordon Fowler
popecologia@hotmail.com

2. Heterogeneidade ambiental
Na biologia nada é constante!
Os organismos individuais que estão vivos hoje podem estar mortos
amanhã (todo organismo eventualmente morre)!
As populações mudam de tamanho e estrutura, como distribuições
etárias e frequências alélicas!
As mudanças podem acontecer em duas escalas diferentes:
temporal (referente ao tempo) e espacial (referente ao espaço)!
Os organismos precisam lidar com mudanças temporais, como
estações, ou mudanças climáticas globais ou regionais!
Os organismos e populações também precisar lidar com mudanças
espaciais se habitam um habitat heterogêneo e/ou dispersam
muito!
Alguns habitats são espacialmente mais complexos e outros mais
simples!
As comunidades mudam no tempo (sucessão) e espacialmente. Os
ecossistemas mudam junto com as comunidades que contêm.

3. Organismos de ponto de vista
de físicos
Nada no processo da física ou a química
predispõe os arranjos moleculares de ocorrer
nas relações altamente funcionais diferente
das relações não funcionais mais comuns.
As transações entre sistemas ordenados e o
ambiente tende a desordem essas relações,
resultando eventualmente num estado de
desordem chamado a morte.
Contrasta com os objetos não vivos.
Não altamente organizada, difícil de ver o desenho
funcional de atributos como tempestades solares
3

4. Ordem Funcional
Termodinâmica:
O ordem funcional não ocorre
espontaneamente

5. Ordem Funcional
Sub-conjunto de ordenamentos funcionais é muito
menor do que conjuntos não funcionais =
Ordenamentos
funcionais
altamente não prováveis
Ordenamentos não funcionais
A segunda lei da termodinâmica:
Os sistemas físicos tendem deslocar a estados mais
prováveis, tendem se deslocar da organização ao
caminho a desordem máximo (entropia).

6. Ordem Funcional
“É a aversão ao decaimento rápido a
um estado inerente que o organismo
se aparenta tão enigmático”
Shrödinger (1944)
Por isso para estudar seres vivos
precisamos confrontar as perguntas:

7. Ordem Funcional
Por que os seres vivos atingem um nível elevado de
ordem não encontrado e no abiótico?
De onde vêm?
Por que é ordem funcional?
Na historia da vida, o que causa um aumento de
ordem acumular tanto no tempo geológico?
Durante a longevidade individual, o que causa os
organismos começar como células únicas e
depois crescem de ordem contra a entropia?
O Homem  populações celulares de trilhões
Por que se replicam?

8. A Vida tem Organização
• Os seres vivos demonstram uma ordem de
hierarquia. Uma hierarquia demonstra a
interdependência de cada nível
• Os níveis básicos de ordem num organismo
multicelular geralmente se organizam como:
Átomos Moléculas biológicas complexas
 Organelas sub-celulares  Células 
Tecidos  Órgãos  Sistemas de Órgãos
 Organismo complexo.

9. Emergência
A cada nível novo de organização, novas
características ficam aparentes. Essas
características novas são propriedades
emergentes.
Emergência é o processo pelo qual a
assembléia quebra ou a reestruturação do
sistema resulta em um ou mais
propriedades emergentes novas.

10. Organização Hierarquia
Cada nível de organização é mais complexo do
que o nível hierárquico inferior.
Cada nível de organização tem propriedades
emergentes devido as interações entre as
partes que compõem o inteiro; toda
propriedade emergente segue as leis da física
e da química.

11. Taxonomia
Os biólogos utilizam a
“ordem” do sistema
para agrupar os
organismos por a
taxonomia
As esquemas
taxonômicas mudam
com nosso
entendimento da
natureza.
As pesquisas moleculares
resultaram em
mudanças
revolucionarias
Reino
(Animalia)
Filo
(Cordata)
Classe
(Mammalia)
Ordem
(Primata)
Família
(Hominidae)
Gênero
(Homo)
Espécie
(sapiens)

12. Propriedades Emergentes

14. Complexidade e
Organização Hierárquica
Novas características podem aparecer
em qualquer nível de organização –
propriedades emergentes.
As propriedades emergentes dependem
das características dos níveis
hierárquicos inferiores – em parte.
– O desenvolvimento da fala precisa da
audição.
– Mas, várias idiomas diferentes evoluíram.

15. Explicação baseada no Nível
Uma propriedade emergente de um nível
não tem sentido ao nível inferior
Agrupamento (macro) de uma ave
solitária (micro)
Consciência de um neurônio?

16. Propriedades Emergentes
Ao examinar níveis superiores de uma hierarquia,
propriedades novas emergem que são difíceis
prever das propriedades de níveis inferiores
Assim, existem propriedades de grupos de itens que
são difíceis prever do estudo de itens individuais
em forma isolada

17. O que é uma
propriedade emergente?
Propriedades que aparecem ao aumentar a
complexidade.
São produtos da interação dos
componentes do inteiro.
O total é maior do que a soma de suas
partes.

18. Propriedades Emergentes
Quais são os
mecanismos da
integração de subunidades numa
estrutura
coerente?

19. Definições
O que é a auto-organização em sistemas
naturais?
A auto-organização é um processo pelo qual
padrão a escala global de um sistema emerge
lentamente das numerosas interações entre o
componentes de níveis inferiores do sistema.
[Deneubourg 1977]
Mas, as regras que especificam as interações entre os
componentes do sistema se realizam usando somente a
informação local, sem referencia ao padrão global. Ou
seja, o padrão é uma propriedade emergente do sistema
em vez de uma propriedade imposta por influencias
externas.

20. Definições
O que é uma propriedade emergente ?
Muitos Agentes
Regras Simples
Condições
Muitas interações
Descentralização
Propriedades Emergentes
Não podem ser reduzidas
Nível Macro (ordem de magnitude de diferencia
Efeito de retro-alimentação no nível micro
Observação

21. Aceleração da Emergência
Tempo até o próximo evento (anos)
Mudança de paradigmas em
15 listas de eventos chaves
Ray Kurzweil, 2006
Tempo antes do presente (anos)

22. Auto-Organização em
Sistemas Naturais
Muitos agentes
Descentralização
Muitas
interações
Regras
Simples
Propriedades Emergentes

23. Auto-Organização em
Sistemas Naturais
Vantagens adaptativas de sistemas que se
auto-organizam, incluso populações
– Robustez
– Tolerância de erro
– Auto-reparo
– Facilidade de implementação
– Agentes simples.

24. Auto-Organização em
Sistemas Naturais
Por que é importante?
– Muitos sistemas biológicos evoluíram
soluções descentralizadas para os desafios
vitais.
– Por meio da auto-organização, a evolução
moldou muitas soluções simples e eficientes
para resolver problemas complexos.

25. Níveis de Hierarquia
Organizacionais
sub-organismo
organismo inteiro
população
comunidade
ecossistema
paisagem
As separações e distinções entre os níveis são
artificiais (Vitousek 1990)
Devemos entender processos de pelo menos um
nível superior e inferior a nosso nível de
interesse

26. Níveis Hierárquicos da
ecologia
População (Ecologia de Populações)
– Grupo de indivíduos que cruzam entre eles
Comunidade (Ecologia de Comunidades)
– Grupo de espécies que moram na mesma
área e interagem
Ecossistema (Ecologia doe Ecossistemas)
– Comunidade mais as partes abióticas do
ambiente

27. Propriedades do grupo populacional
População: grupo de organismos da mesma
espécie que ocupa um espaço determinado e
funciona como parte de uma.
• número de indivíduos:
- alimentos;
- predação;
- lugares para ninhos;
- e outros;
•Manchas de habitat adequado =
sub-populações;
As populações tem propriedades emergentes:

28. Propriedades de Populações
-Leva em consideração os aspectos biológicos da ecologia – a
interação dos organismos entre eles, conforme seu
funcionamento nos ecossistemas;
Os seres humanos não formam a única população que modifica
ou tenta controlar o ambiente – os organismos não se
adaptam de forma pacífica às forças físicas e químicas da
natureza, mas modificam e regulam ativamente o ambiente
físico dentro dos limites impostos pelas leis naturais;
-O foco biótico das populações e das comunidades – níveis
determinantes sobre a interação entre sistemas genéticos e
o ambiente, que determina o curso da seleção natural – não
apenas a forma como os organismos individuais otimizam a
sua sobrevivência, mas também a maneira pela qual os
ecossistemas como um todo modificam-se e estão se
modificando ao longo do tempo evolutivo.

30. Propriedades de
Populações
As populações tem propriedades
emergentes de grupo que são únicas ao
grupo e não se apresentam em indivíduos
– Indivíduos vivem ou morrem; podem ou não
reproduzir, podem ou não migrar;
– As populações tem taxas de mortalidade,
natalidade, emigração e imigração.
– Ao dividir essas taxas pelo número de
indivíduos na população, resulta em taxas
por indivíduo ou per capita

31. Características de Populações
A ecologia de populações estuda os organismos examina o tamanho e
estrutura das populações; ambos são propriedades emergentes de
populações, não como indivíduos
A ecologia de populações também é o estudo das interações dentro
das populações ( as interações intraespecíficas)
As populações são grupos de membros da mesma espécie que se
interagem (indivíduos que podem cruzar)
Podemos caracterizar as populações individuais em termos de …
• Tamanho (médio versus variabilidade)
• Densidade (e impactos no tamanho; dependência de densidade)
• Padrões de dispersão
• Demografia (estrutura etária, razão sexual)
• Taxas de crescimento (ou declínio)
• Limites do crescimento populacional

32. Populações tem
propriedades emergentes
Essas propriedades são conseqüências de como um
organismo interagem com o ambiente, e com outros
organismos, os quais influenciam sua evolução.
–
–
–
–
–
–
–
Tamanho
Densidade
Padrões de Dispersão
Estrutura Etária
Estrutura Espacial
Razão Sexual
Variabilidade

33. Propriedades Emergentes de
Populações
As populações tem estruturas emergentes….
- manadas; caça cooperativa, reprodução tardia
indivíduos
Nascem e morrem
Dispersam
populações
taxas de nascimento e mortalidade
taxas de imigração e emigração
Extinção
Estruturas populacionais
Evoluem

34. Populações tem
propriedades emergentes
Essas propriedades são conseqüências de como um
organismo interagem com o ambiente, e com outros
organismos, os quais influenciam sua evolução.
–
–
–
–
–
–
–
Tamanho
Densidade
Padrões de Dispersão
Estrutura Etária
Estrutura Espacial
Razão Sexual
Variabilidade

35. Propriedades de
Populações
Padrão estática da população –
propriedade de uma população que
pode ser avaliada com uma medida ou
estimativa num momento único do
tempo (uma “fotografia”)
Padrão dinâmica da população –
propriedade de uma população que
somente pode ser avaliada com
medidas ou estimativas em dois ou
mais pontos do tempo

36. População
Padrão estática da população
Pode ser descrito pela demografia
– Estadísticas vitais como tamanho,
densidade, distribuição, e estrutura
etária

37. Padrão estática da população
Amplitude geográfica – a distribuição
global de uma população

38. DISTRIBUIÇÃO DA
POPULAÇÃO
Padrão estática da população
•Amplitude geográfica!!! Todas as áreas ocupadas durante o
ciclo de vida;
•Extensão da distribuição de uma população – influências:
- competidores;
- patogênicos;
- barreiras à dispersão;
- clima;
- topografia;
- química e textura do solo;
- presença ou ausência de habitats adequados;

40. Padrões de Dispersão
Padrão estática da população
Dispersão – o padrão de espaçamento
entre os indivíduos

41. Dispersão
Populacional
MMMMMMM
MMMMMMM
MMMMMMM

42. Estrutura Espacial
Padrão estática da população
A escala importa muito na descrição da
distribuição espacial de uma espécie.
Uma espécie pode ser agregada numa escala
grande, mas com distribuição regular
numa escala menor.
– Exemplo: As formigas saúvas, Atta sp. Se
agregam em áreas de habitat favorável.
Dentro dessas áreas, seus ninhos tem
distribuição regular devido as interações
agressivas entre sauveiros.

43. Estrutura etária
Padrão estático da população
Os números relativos de organismos em cada
sexo e idade dentro de uma população
– Diagramas da estrutura etária representam a
estrutura etária da população

44. Distribuição etária:
-influencia na natalidade e na mortalidade;
-as proporções dos grupos etários de uma população
determinam o estado reprodutivo atual da população e
indicam o que se esperar do futuro:
populações em crescimento rápido – grande proporção de
indivíduos jovens;
população estacionária: distribuição uniforme das classes de
idade;
população em declínio: proporção maior de indivíduos velhos
-uma população pode passar por mudanças na estrutura
etária sem mudar o seu tamanho;
-as populações possuem uma distribuição etária estável
(normal) para a qual tendem as distribuições etárias reais;
-estrutura etária expressa por três idades ecológicas: préreprodutiva, reprodutiva e pós-reprodutiva.

45. Razão Sexual
Padrão estático da população
A razão sexual é a proporção dos indivíduos de cada sexo.
O número de fêmeas é mais importante para o
crescimento de populações
– Exemplos: alces; menos machos da idade reprodutiva
do que as fêmeas; os machos cruzam com mais de
uma fêmea.
Vespas: Melittobia sp. Podem ter centenas de fêmeas por
macho. Esses machos nunca saem do ninho e cruzam
com suas irmãs. O crescimento populacional é assim
independente do número de machos.
Em espécies monógamas, uma razão sexual de 50/50
maximiza o crescimento populacional

46. Estrutura Sexual
Padrão estático da população
A razão sexual humana é o número de machos por 1000
fêmeas numa população.
O nascimento de machos excede consistentemente o
nascimento de fêmeas por razões biológicas e sociais.
Por exemplo, mais casais decidem completar a sua família após o nascimento de
um filho de que se nasce uma filha. No Brasil 105 meninos nascem para cada
100 meninas. Mas, após o nascimento a diferencia começa cair e
eventualmente as fêmeas são mais numerosas que os machos, porque em cada
idade a mortalidade masculina é maior do que a mortalidade feminina. Esse
processo ocorre mais rapidamente nos países mais pobres onde a mortalidade
infantil é muito maior nos machos do que nas fêmeas, e a diferencia
desaparece dentro de um ano de vida. No Brasil, as mulheres constituem
74% da população de 85 ou mais anos de idade.

47. Razão Sexual
Padrão
estático da
população
A razão sexual
de uma
população
afeita sua
taxa de
crescimento.
Após um ano
Razão maior de machos
Após um ano
Razão maior de fêmeas

48. Padrão dinâmica da população
A amplitude geográfica, tamanho
populacional, densidade, e dispersão espacial
podem mudar o tempo

49. Padrão dinâmica da população
Crescimento populacional local
(envelhecimento + reprodução local)
Distribuição atual
Distribuição potencial
Dispersão de propágulos

50. Dinâmica Populacional
Nascimentos
Imigração
Adição de indivíduos as
populações
Tamanho
populacional
Retirada de indivíduos de
populações
Emigração
Mortes

51. Padrão dinâmica da população
O que é a demografia populacional?
O estudo de flutuações populacionais devido a nascimento,
imigração, morte e emigração (BIDE)
+ fatores importantes a estrutura populacional: idade, razão
sexual + historia vital
Nascimentos
Imigração
Tamanho
populacional
Mortes
Emigração

53. População
Padrão dinâmica da população
Cada população pode ser
parâmetros dinâmicos de:
descrita
pelos
Taxa de natalidade (total N=∆N+/∆t ou porcentagem
N%=(∆N+/No∆t)*100 ou Nstat=(∆N+/No∆t)*1000)
Taxa de mortalidade (calculada da mesma forma do que
a natalidade - M=∆N-/∆t)
Taxa de crescimento (R = M – N)
Taxas de Migração

54. Os processos biológicos dinâmicos
influenciam a densidade, dispersão, e
demografia

55. Os processos biológicos dinâmicos influenciam a
densidade, dispersão, e demografia
Padrão dinâmica da população
Abundancia >
O tamanho populacional pode aumentar,
cair, flutuar ou ficar constante no tempo
Tempo >

56. Padrão dinâmica da população
Previsão de idade

57. Condições para uma
Hierarquia `perfeita´
1: Cada componente da hierarquia é designado a
somente um nível
2. Cada componente é parte de somente um
componente a cada nível acima dele
(excluindo os componentes a nível superior)
3. Cada componente é composto somente de
componentes do nível próximo mais baixo
(excluindo os componentes a nível inferior)

58. Aprendemos um método de três
passos, 3 Níveis numa Hierarquia
Restrições
(Significância)
RESTRINGE O FOCAL E
PROPORCIONA
SIGNIFIKCANCIA E
CONTEXTO
Nível de foco
Nível Focal
Componentes
(explicação)
Proporciona detalhes para
explicar a resposta
Podem existir causas no sentido inferior?

59. Uma Hierarquia 'Perfeita’
Rim
Órgãos
Coração
(Órgãos)
L+1
Rim
Tecidos
Coração
Rim
L
Células
Pulmão Pancreo
L-1
Células do rim
células do coração

60. Escalas ou hierarquias geográficas
dos processos ecológicos e evolutivos
Continente
Região
Paisagem
Local

61. Organização Hierarquia
Os indivíduos de uma espécie de uma área
particular (pica-paus numa floresta)
constituem e se organizam numa população.
As populações que se interagem numa área
particular formam uma comunidade.
Uma comunidade mais seu ambiente físico forma
um ecossistema.
A biosfera é composta de regiões da crosta,
águas e atmosfera da Terra habitadas por
organismos.

62. Hierarquia
Causas
descendentes L + 1
L
mecânica
L - 1
Nível focal
Padrão da paisagem
Resposta da população
Comportamento
Do indivíduo
Sugere uma hierarquia danificada
Sugere uma hierarquia engajada

63. Uma hierarquia 'Imperfeita’?
Assembléia de espécies diferentes
L+1
Populações
numa metapopulação
L
L-1
Animais individuais

64. Os componentes (L – 1)
Não se juntam corretamente
M.C. ESCHER 1961

65. Um caso típico de números pequenos
Quais variáveis do habitat (L-1) explicam a densidade
populacional (L)?
L-1
Variáveis do nível
L-1 selecionados
Somente poucos variáveis da diversidade podem ser
Selecionados em qualquer pesquisa
Tentamos de capturar a dinâmica relevante do sistema

66. Uma hierarquia mais real
Nível L + 1
Nível L
Nível L
Nível L
É mais complexa e por isso tem maiores tampões

67. Explicação Alternativa de
Propriedades Emergentes
Uma alternativa a emergência baseada no
nível de hierarquia
(Escopo, Resolução, Estado)
Ajude definir as propriedades emergentes
e a emergência
A faixa de Möbius tem propriedades
emergentes

68. Emergência da Essência
de Um Lado
Propriedades emergentes
•Um lado
•Uma margem
•Sem orientação
Componente i

69. Propriedades Emergentes
M. C. Escher, Moebius Strip II (Red Ants)

70. Escopo = S
{elementos dentro as margens de um sistema
(espaço)} X {momentos (tempo)}
elementos
tempo
sistema
margem

71. Resolução = R
Distinção menor possível dos
elementos (espaço) e momentos (tempo)

72. Estado
A informação que distingue entre as configurações alternativas do sistema
até uma resolução num momento no tempo
Micro-estado
Macro-estado
  (( x1 , x2 , x3 ), (v1 , v2 , v3 )) N
  (T , P,V )
Gás Ideal

73. Relação Macro a Micro


O macro-estado não possui uma resolução menor ou um escapo maior,
ou ambos.

74. Propriedade Emergente Nova
Uma propriedade é uma propriedade
emergente novo se está presente num
estado macro mas não está presente no
estado micro, onde os micro-estados se
diferem do macro-estado somente no
escopo.

75. A distancia do estado verdadeiro da assembléia fica
no modelo depende da complexidade do
sistema e as regras de assembléia que usamos
ASSEMBLÉIAS POSSIVÉIS DO
SISTEMA (REPRESENTAÇÃO)
SISTEMA INTACTO
COMPONENTES
REGRAS DE
ASSEMBLÉIA

76. Evolução e a origem de maquinas celulares
complexas
Se essas estruturas tem uma
complexidade irreduzível, então
não poderiam ter criadas pela
evolução. Por que?
Flagelo de bactéria
Flagelo de bactéria

77. Michael Behe. Darwin’s Black Box, p. 39
“Um sistema complexo e irreduzível não pode ser
produzida diretamente ... Por modificações sucessivas
pequenas de um sistema de precursor, porque qualquer
precursor de um sistema complexo e irreduzível que
falta uma parte é por definição não funcional.”

78. “Um bom exemplo de esse tipo de sistema é um ratoneiro. ...
A função do ratoneiro requer todas as peças: não funciona
com somente a plataforma ou qualquer outra peça
separadamente. Todos os componentes precisam encaixar
antes de capturar uma ratazana. Assim o ratoneiro é
complexo e irreduzível."

79. A maquina inteira
tem função...
“Porque a seleção natural
requer uma função para a
seleção, um sistema biológico
complexo e irreduzível..
Teria sua origem como uma
unidade integrada ou a
seleção natural não
funciona.”
....mas suas partes
componentes não tem
função

80. Maquina bioquímica
Função favorecida
pela seleção
Natural
Partes Individuais
Nenhuma função. Por isso, a seleção
natural não forma seus componentes.

81. Maquina bioquímica
Funções novas emergem da
combinação dos
componentes
Partes Individuais
Componentes
originam com funções
diferentes.

82. Desenho Inteligente:
Evolução:
Partes sozinhas inúteis
Partes fazem outras
funções
“A Complexidade Irreduzível” faz previsão, mas também a
evolução faz previsão

83. “Mais do que outros motores, o
flagelo assemelha uma maquina
desenhada pelo homem.”
Se retiramos 40 partes do
flagelo:
deixando somente 10 parte
não deve funcionar.
Certo?

84. Flagelo de
Bactéria
(~50 partes)
Não. Essas 10
partes tem função!
Sistema secretório
do tipo III
(10 partes)
Yrsinia pestis
“...qualquer precursor de um sistema complexo e irreduzível
que não está presente é por definição não funcional.”

85. Na realidade, o flagelo contêm muitas partes
homologas a outros sistemas
Sistema secretório do tipo
III
Família das proteínas axiais
Secreção do tipo II
Transporte iônico
Transdução de sinais

86. Na realidade, o flagelo contêm muitas partes
homologas a outros sistemas

87. POR ISSO…
A Ecologia e um estudo
integrado e dinâmico do
ambiente, enfocado no nível
ou escopo apropriado da
hierarquia para explicar os
fenômenos observados.

88. Em Resumo
A emergência se liga ao escopo, não ao nível!
Uma propriedade emergente nova é a diferencia
entre a estrutura global e local!
As propriedades emergentes podem ser
modeladas, mas a emergência não!
A emergência não precisa ser complexa,
adaptativa, ou de auto-organização!

89. Variabilidade é as diferencias entre
os indivíduos de uma população.
A maioria das populações demonstram diferencias entre
os indivíduos.
– Parte da variação tem base genética.
– Outra parte da variação é ambiental.
– Na maioria dos casos, a variabilidade se deve aos
genes e o ambiente.
Dimorfismo Sexual é quando os dois sexos diferem
muito em forma ou tamanho.
Metamorfose é quando os indivíduos diferem de forma
devido a uma transformação dramática durante sua
vida.

90. Considerações Finais
Mudanças nos padrões e uso da terra geram a
fragmentação das paisagens, ameaçando a
estabilidade e a dinâmica das populações, as
perturbações ambientais e a perda de
diversidade genética.
Os seres humanos não formam a única população
que modifica ou tenta controlar o ambiente – os
organismos não se adaptam de forma pacífica às
forças físicas e químicas da natureza, mas
modificam e regulam ativamente o ambiente físico
dentro dos limites impostos pelas leis naturais;

91. Referencia recomendada
Camazine, S., Deneubourg, J.L., Franks, N. R., Sneyd, J.,
Theraulaz, G., Bonabeau, E.
2001. Self-organization in
biological systems. Princeton
University Press.

93. Perguntas?